Fırçasız DC (BLDC) Motorlar Nasıl Çalışır?

Gönderi, BLDC motor olarak da adlandırılan fırçasız DC motorların temel çalışma konseptini kapsamlı bir şekilde detaylandırıyor.

Fırçalı ve Fırçasız DC Motorlar Arasındaki Fark

Geleneksel fırçalanmış motorlarımızda, merkezi hareketli rotoru çevreleyen sabit sabit mıknatıs statoruna göre değiştirmek için fırçalar kullanılmaktadır.

Fırçalar zorunlu hale gelir, çünkü rotor, çalışması için güce ihtiyaç duyan elektromıknatıslar kullanılarak yapılır, ancak aynı zamanda döndürme ihtiyacı da olduğundan, işler hantal hale gelir ve dönen elektromanyetik rotora güç sağlamanın tek alternatifi haline gelir.

Aksine, Fırçasız DC motorlarda veya BLDC motorlarda, sabit bir merkezi stator ve onu çevreleyen dairesel bir rotor var. Stator, bir dizi elektromıknatıstan oluşurken, rotorun çevresi boyunca belirli bir hesaplanmış pozisyonda sabitlenmiş kalıcı mıknatıslar vardır.

Hall Etkisi Sensörlerini Kullanma

Mekanizma ayrıca rotorun ve mıknatıslarının stator elektromıknatısına göre konumunu algılamak ve verileri harici bir anahtarlama devresine bildirmek için kurulan bir Hall etkisi sensörüne de sahiptir; bu sensör, daha sonra elektromıknatısları etkinleştirmek / devre dışı bırakmaktan sorumludur. rotor üzerindeki dönme hareketini etkileyen doğru sıra veya zamanlama.

Yukarıdaki açıklama, aşağıdaki temel resim yardımıyla ve ardından sonraki resimlerde ayrıntılı bir tasarımla anlaşılabilir.

Mıknatıslar ve bu cihazların nasıl etkileşim kurduğu hakkında pek çok ilginç şey öğrendik ve biliyoruz.

Mıknatısın bir Kuzey Kutbu'nun başka bir mıknatısın güney Kutbunu çektiğini ve benzer kutupların itici olduğunu biliyoruz.

Kalıcı Mıknatıslar Nasıl Konumlandırılır

Yukarıda gösterilen diyagramda, kuzey kutbu dışa bakacak şekilde yerleştirilmiş (kırmızı renkte gösterilmiştir) kenarında gömülü bir mıknatıs bulunan bir disk ve ayrıca diskin dairesel kenarına paralel bir yakınlığa yerleştirilmiş bir elektromıknatıs görmekteyiz. enerji verildiğinde güney manyetik alan.

Şimdi, düzenlemenin ilk üst diyagramda gösterildiği gibi elektromıknatısın devre dışı bırakıldığı şekilde konumlandırıldığını varsayalım.

Bu pozisyonda, elektromıknatıs uygun bir DC girişiyle etkinleştirilir etkinleştirilmez, disk mıknatısı üzerindeki bir çekme kuvvetini etkileyen bir güney manyetik alanı elde eder ve oluşturur ve bu da, kalıcı mıknatısı ile aynı hizaya gelene kadar diski bir miktar torkla dönmeye zorlar. elektromıknatıslar akı çizgilerinin tersidir.

Yukarıdaki eylem, BLDC konseptinin çalıştığı temel formatı gösterir.

BLDC Motor, Hall Etkisi Sensörleri ile Nasıl Çalışır?

Şimdi, rotor üzerinde sürekli bir hareketi sürdürmek için yukarıdaki konseptin Hall etkisi sensörleri kullanılarak gerçekte nasıl uygulandığını görelim.

Aşağıdaki örnek diyagram, mekanizmayı kapsamlı bir şekilde açıklamaktadır:

Yukarıdaki diyagramda, basit bir BLDC rotor / stator düzenlemesi görüyoruz, burada dış dairesel eleman dönen rotor iken, merkezi elektromıknatıs sabit stator haline geliyor.

Rotor, çevrelere sabitlenmiş bir çift kalıcı mıknatısa sahip olduğu ve akının etki çizgileri olarak güney kutbuna sahip olduğu görülebilir, merkezi stator, bir ile enerji verildiğinde eşdeğer bir Kuzey Kutbu manyetik akısı gücü üretmek için tasarlanmış güçlü bir elektromıknatıstır. harici DC.

Ayrıca iç rotor çevresinin köşelerinden birinin yakınında bulunan bir hall sensörünü de görselleştirebiliriz. Salon etkisi temelde dönen rotorun manyetik alanını algılar ve sinyali stator elektromıknatıslarına güç sağlamaktan sorumlu bir kontrol devresine besler.

Üst konuma atıfta bulunursak, rotorun boş alanını (herhangi bir manyetik alandan yoksun olan) hall sensörüyle yakın temas halinde, onu kapalı durumda tuttuğunu görüyoruz.

Bu anda, salon efektinden gelen kapatma sinyali, kontrol devresine elektromıknatısları AÇIK konuma getirmesi için bilgi verir ve bu da, hemen köşede duran rotor güney kutbu üzerinde anında bir çekme etkisi yaratır.

Bu gerçekleştiğinde, güney kutbu, rotorda gerekli torku üreterek aşağı iner ve kendisini elektromıknatısın kuzey kutbu ile aynı hizaya getirmeye çalışır.

Bununla birlikte, bu süreçte rotorun güney kutbu da kendisini hemen algılayan ve elektromıknatısları KAPALI konuma getirmesi için kontrol devresine bilgi vererek AÇIK duruma geçen hall sensörüne (aşağıdaki diyagramda gösterildiği gibi) yaklaşır.

Elektromıknatısları Kapatma Süresi Çok Önemli

Elektromıknatısların, salon etkisi sensörünün işaret ettiği gibi doğru zamanda kapatılması, rotor hareketinin durmasını ve engellenmesini yasaklar, bunun yerine, önceki konum şekillenmeye başlayana kadar ve salona kadar üretilen tork aracılığıyla harekete devam etmesine izin verir. sensör yine rotorun boş alanını 'hisseder' ve döngüyü tekrarlayarak KAPALI duruma gelir.

Hall sensörünün çeşitli rotor konumlarına göre yukarıdaki geçişi, stator / rotor manyetik etkileşimlerine ve tabii ki salon etkisi konumlandırmasına doğrudan orantılı olabilen bir toque ile sürekli bir dönme hareketine neden olur.

Yukarıdaki tartışmalar en temel iki mıknatıs, bir hall sensör mekanizmasını açıklamaktadır.

İstisnai olarak daha yüksek torklar elde etmek için, diğer yüksek verimli fırçasız motorlarda daha fazla mıknatıs ve elektromıknatıs seti kullanılır; burada rotor mıknatıslarının çoklu algılamasını uygulamak için birden fazla hall etkisi sensörü görülebilir, böylece farklı elektromıknatıs setleri, cihazda değiştirilebilir. tercih edilen doğru sıra.

BLDC Motor Nasıl Kontrol Edilir

Şimdiye kadar temel çalışma konseptini anladık BLDC motorlar ve rotorun sürekli dönme hareketini sürdürmek için motorun elektromıknatısını harici bir bağlı elektronik devre aracılığıyla etkinleştirmek için bir Hall sensörünün nasıl kullanıldığını öğrendi, bir sonraki bölümde BLDC sürücü devresinin BLDC motorları kontrol etmek için gerçekte nasıl çalıştığını gözden geçireceğiz.

Sabit bir stator elektromıknatıs ve dönen bir serbest manyetik rotor uygulama yöntemi, tam olarak zıt topolojiye sahip olan ve bu nedenle motor işlemleri için fırça gerektiren geleneksel fırçalanmış motorlara kıyasla BLDC motorlara gelişmiş verimlilik sağlar. Fırça kullanımı, prosedürleri uzun ömür, tüketim ve boyut açısından nispeten verimsiz kılmaktadır.

BLDC Motorun Dezavantajı

BLDC tipleri en verimli motor konsepti olsa da, onu çalıştırmak için harici bir elektronik devre gerektirmesi önemli bir dezavantaja sahiptir. Bununla birlikte, modern IC'lerin ve hassas Hall sensörlerinin ortaya çıkmasıyla bu konu, bu konsepte dahil olan yüksek verimlilik derecesi ile karşılaştırıldığında artık oldukça önemsiz görünmektedir.

4 Mıknatıslı BLDC Sürücüsü Tasarım

Bu yazıda, dört mıknatıslı, tek hall sensör tipi BLDC motor için basit ve temel bir kontrol devresini tartışıyoruz. Motorun çalışması, aşağıdaki motor mekanizması şemasına bakılarak anlaşılabilir:

Yukarıdaki görüntü, bir dış rotorun çevresi boyunca iki set kalıcı mıknatısa ve stator olarak iki set merkezi elektromıknatısa (A, B, C, D) sahip temel bir BLDC motor düzenlemesini göstermektedir.

Dönme momentini başlatmak ve sürdürmek için, A, B veya C, D elektromıknatısları, rotor mıknatısının kuzey / Güney kutuplarının etkinleştirilen elektromıknatıslara göre konumlarına bağlı olarak etkin durumda (asla birlikte) olmalıdır.

BLDC Motor Sürücüsü Nasıl Çalışır?

Kesin olmak gerekirse, yukarıdaki senaryoda gösterilen konumu, A tarafına Güney kutbu ile enerji verilirken B tarafına Kuzey Kutbu ile enerji verecek şekilde AÇIK durumda olan A ve B ile gösterilen pozisyonu varsayalım.

Bu, A tarafının sol mavi Kuzey kutbu üzerinde bir çekme etkisi ve statorun sağ taraf güney kutbu üzerinde bir itme etkisi uygulayacağı anlamına gelir, benzer şekilde B tarafı da alt kırmızı güney kutbunu çeker ve üst kuzeyi iter. rotorun direği .... tüm sürecin rotor mekanizması üzerinde saat yönünde etkileyici bir hareket uyguladığı varsayılabilir.
Ayrıca, yukarıdaki durumda Hall sensörünün, 'güney kutbu etkinleştirilmiş' bir Hall sensör cihazı olabileceğinden devre dışı bırakılmış durumda olduğunu varsayalım.

Yukarıdaki etki, rotoru, güney tarafı B tarafı ile yüz yüze kilitlenecek şekilde hizalamaya ve zorlamaya çalışacaktır, ancak bu durum ortaya çıkmadan önce Hall sensörü, A tarafına yakın bir yere getirilir. rotorun üst güney kutbunun kaydırılması ve bu sadece Hall sensöründen geçtiğinde, AÇIK duruma geçmeye zorlanır, bağlı kontrol devresine anında yanıt veren ve elektromıknatısları A / B KAPATAN ve elektromıknatısları AÇIK konuma getiren pozitif bir sinyal gönderir C / D, rotor üzerinde tutarlı bir dönme torku korunarak rotorun saat yönünde tekrar zorlandığından emin olun.

Temel BLDC Sürücü Devresi

Hall sensörü tetikleme sinyaline yanıt olarak elektromıknatısların yukarıda açıklanan anahtarlaması, aşağıdaki basit BLDC kontrol devresi fikri kullanılarak çok basit bir şekilde gerçekleştirilebilir.

Devre, çok basit olduğu için, Hall sensörünün, BC547'nin ve bağlı TIP122'nin AÇIK konuma getirilmesi sırasında çok basit olduğu için çok fazla açıklamaya ihtiyaç duymaz ve bu da, kollektörlerine takılı ve pozitif elektromıknatıs setlerini AÇIK konuma getirir. , Hall sensörünün KAPALI dönemleri sırasında, BC547 / TIP122 çifti KAPALI konuma getirilir, ancak aşırı sol TIP122 transistörü, ters elektromıknatıs setlerini etkinleştirerek AÇIK konuma getirilir.

Durum, BLDC'nin gerekli tork ve momentum ile dönmesini sağlayarak güç uygulandığı sürece sürekli olarak değiştirilir.